CIENCIA

Experimentos en electrostatica

 

Antes de comenzar a describir los experimentos en electrostatica invito al lector a realizar el siguiente experimento,tome una lapicera de plastico(o cualquier objeto de plastico),frotela con fuerza en su prenda de vestir,que debe estar seca,acerquela a un pedacito de papel,lo mas chico posible y vera como la lapicera atrae al mismo;a partir de este simple experimento se puede diseñar una serie de experiencias,que son claves en el estudio de la electricidad.

 

Cuando se frota una barra de de vidrio con un paño bien seco,se observa que ambas adquieren la propiedad de atraer cuerpos livianos como ser trozos de papel o de plastico (nylon ).Repitiendo la experiencia con otras sustancias (ebonita,resinas,lucite,etc.)se observa el mismo fenomeno.A esta propiedad se la llama electricidad,y los cuerpos que la poseen se dicen que estan en estado electrico.

Para estudiar este fenomeno se emplea una esferilla de medula de sauco suspendida de hilo de seda(pendulo electrico),como se muestra en la siguiente figura:

Si se acerca a la esferilla una barra de vidrio en estado electrico,la atrae y si se pone contacto,aquella es rechazada.

 

Adelantandonos un poco diremos que la esferilla se cargo electricamente con la misma polaridad que la carga del vidrio,si acercamos ahora ebonita en estado electrico(frotada),atrera la esferilla,esto permite clasificar a los cuerpos con estado electrico en dos grupos.

Si se cargan dos pendulos electricos con vidrio y si se trata de acercarlas las esferillas se rechazaran y si una esferilla se carga con vidrio y la otra con ebonita las esferillas se atraen.Estas experiencias ponen de manifiesto que la clasificacion resulta independiente del material utilizado como referencia (medula de sauco).La esferilla del pendulo electrico es rechazada por el vidrio ,luego de haber hecho contacto con el,porque adquirio el estado electrico de su misma clase(carga de la misma polaridad).

 

Solo existen dos clases diferentes de estado electrico,cuerpos en estado electrico de la misma clase se rechazan;cuerpos en estado electrico de diferentes clases se atraen.

 

Se denomina estado electrico positivo al adquirido por los cuerpos pertenecientes al grupo del vidrio y negativo al del otro grupo,por ejemplo el PVC al ser frotado con un paño adquiere estado negativo.

El estado electrico se puede transmitir por contacto,en la experiencia con el pendulo electrico se observa que la esferilla adquirio estado electrico de la misma clase que el vidrio al hacer contacto con este.Tambien puede observarse que todo cuerpo metalico puesto en contacto con un cuerpo en estado electrico ,adquiere dicho estado.

 

Descripcion de los fenomenos electrostaticos.

 

Todos los fenomenos descriptos,tienen una explicacion elemental ,que nos ayudaria a entender los fenomenos electrostaticos,todas las sustancias involucradas en estos experimentos estan compuestos de atomos de diversos elementos,los plasticos,las pieles,las telas poseen en su estructura carbono y otros elementos,los metales estan compuestos de cobre,de estaño,de hierro o una combinacion de los mismos,estos es tan solo un pequeño ejemplo,existiendo una variedad enorme de sustancias.

Los atomos a su vez estan compuestos de un nucleo de carga positiva y de electrones de carga negativa que giran alrededor del mismo,en el nucleo la carga positiva proviene de los protones,en un atomo neutro el numero de protones es igual al de electrones, refiriendonos solo a los solidos y en condiciones normales solo los electrones tiene la posibilidad de moverse en mayor o menor grado por la estructura de la sustancia,en los plasticos,vidrios y telas este movimiento es muy pequeño y en el caso de los metales los electrones tienen mucha libertad de movimento,los nucleos con cargas positivas siempre se quedan en la misma posicion.

Cuando un electron sale de un atomo queda en el mismo una carga del mismo valor que la carga del electron pero positiva,como se observa en la siguiente figura,en su parte superior tenemos un atomo neutro en una posicion fija en la estructura de un solido,en la parte inferior del dibujo un electron sale de dicho atomo,quedando una carga positiva fija en el atomo y una carga negativa movil desplazandose por la estructura del solido,

 

Supongamos ahora que frotamos un vidrio con una tela,el efecto mecanico produce una separacion de cargas,en la tela quedan electrones en su superficie,con una limitacion grande para moverse y en el vidrio las cargas positivas de los atomos al que se le quitaron los electrones por efecto mecanico(se puede extraer electrones de las sustancias por calentamiento,por iluminacion o sometiendo a los mismos a campos electricos muy intensos),toquemos la parte frotada del vidrio a la esfera de medula de sauco(ver en la bibliografia la nota 1), 

 

lo que ha ocurrido es que el campo electrico de las cargas del vidrio atrajeron a electrones de la medula de sauco  que pasaron al vidrio y neutralizaron a algunos atomos cargados positivamente y quedando las dos superficies tanto la de la esfera como la del vidrio con carga positiva,la cantidad de carga en el vidrio disminuyo y una cantidad de carga positiva aparecio en la esfera,al haber dos cuerpos con cargas positvas se recahazan

 

 

Acerquemos ahora un metal electrizado a una esfera de metal,donde los electrones tienen la posibilidad de desplazarse,aparece un nuevo fenomeno como se ve en la siguiente figura,en realidad este fenomeno no tiene nada de estatico y es en realidad bien dinamico,al estar sometido la esfera metalica a un campo electrico debido a las cargas del metal electrizado,produce en la estructura de la esfera de  metal un desplazamiento de cargas,la misma comienza en la superficie del metal cercana al cuerpo electrizado,algunos electrones se separan de sus atomos en el metal y se desplazan hacia la derecha de la esfera,a su vez estos atomos cargados positivamente atraen a otros electrones de una capa o zona mas a la izquierda del metal los cuales neutralizan a estos atomos,luego se forma otra capa o zona de atomos cargados positivamente mas a la izquierda y desaparece la zona inicial,de este modo se va desplazando hacia la izquierda la zona de atomos cargados positivamente,se desplaza la carga positiva  no los atomos y se llega a un punto que este movimiento cesa con una carga positiva superficial a la izquierda de la esfera y una carga negativa en la superficie derecha de la esfera,

 

Como vemos de la figura anterior se producen cargas electricas en la esfera metalica sin que el vidrio toque a la misma,a este fenomeno lo denominamos induccion electrica,en el caso de los plasticos como el telgopor tambien se produce un efecto similar pero con una separacion de cargas mas restringida .

Al poner al metal electrizado en contacto con la esfera,los electrones pasan al metal neutralizando algunos atomos del mismo

 

Al quedar la esfera con carga positiva,la misma es rechazada por el metal al que le faltan algunas cargas positivas,el lector puede ver en esta pagina http://www.phy.cuhk.edu.hk/phyworld/iq/van_de_graaff/van_de_graaff_low.rm  ,una pelicula,en la que se genero un potente campo electrico con un generador de Van de Graaff,donde la esfera metalica primero es atraida por el efecto de induccion electrica,al tocar al generador se produce la transferencia de cargas,luego la esfera queda con la misma polaridad que el generador y la esfera es rechazada,debido a que oscila la misma vuelve al generador y es rechazada nuevamente.

 

Y si alejamos al metal electrizado de la esfera de metal,se produce un nuevo desplazamiento de zonas cargadas en el metal,al estar las cargas positivas apretadas en la zona izquierda de la esfera y no estando ya el campo electrico del vidrio estas se rechazan unas a las otras distribuyendose,el desplazamiento se produce de igual manera al descripto anteriormente,pero en este caso queda en la esfera una carga neta positiva distribuida en la superficie de la misma ,como se muestra en la siguiente figura

 

 

Aplicando estos conceptos intentemos explicar la siguiente maquina utilizada para generar cargas electricas,la esfera de vidrio es frotada continuamente por el cuero,en el mismo quedan cargas negativas y en el vidrio cargas positivas,las mismas inducen cargas negativas en el extremos derecho del conjunto metalico,este conjunto tiene un electrodo en su extremo derecho que no toca a la esfera de vidrio siendo la separacion muy pequeña,en el extremo izquierdo de dicho conjunto metalico,se generan cargas positivas de acuerdo a lo estudiado anteriormente,si durante la operacion de la maquina conectamos y desconectamos momentaneamente el extremo izquierdo a tierra,las cargas positivas  pasaran a la tierra,las cargas negativas de la derecha permanecen en ese lugar por el efecto inductor de la esfera que gira,luego paramos de hacer girar la esfera y tendremos al conjunto metalico cargado negativamente.

 

 

 

 

Electroscopios.

 

Instrumentos tales como el pendulo electrico,que permiten acusar el estado electrico de los cuerpos se llaman Electroscopios.

Mas sensible que el pendulo electrico es el Electroscopio de hojuelas ,que se ilustra en la siguiente figura

Consta fundamentalmente de una esfera metalica unida a un extremo de un vastago tambien metalico,en cuyo extremo se adosan dos finisimas laminillas metalicas(por ejemplo de aluminio).

Todo el sistema,conjuntamente con la escala graduada,se instala en una caja de vidrio(o metalica con ventana de vidrio).Si la caja es metalica ,el vastago,esta aislado de ella mediante un tapon de goma o ebonita(o cualquier aislante).

Electrizando la esfera por contacto con un cuerpo en estado electrico(cargado),este es transmitido por el vastago metalico,a las hojuelas,las que entonces se separan porque adquiern estado electrico de la misma clase.

La separacion de las hojuelas puede leerse en la regla graduada,con lo cual se obtiene una idea cuantitativa del estado electrico adquirido por las sustancias.

 

Paginas relacionadas :

 

Electricity and Magnetism ,en esta pagina el lector podra encontrar experimentos en electrostatica y una fotografia de un electroscopio con escala graduada.

Bibliografia :

Nota 1, Fisica Experimental,tomo 2 ,Dr. Adulio Atilio Cicchini,Ingeniero Alerino R. Beltramino y colaboradores.Fundacion para el libro tecnologico.Argentina.

 El experimento con la medula de sauco se describe en este libro,si se trata de utilizar otro material como el telgopor,el mismo permanece constantemente atraido por el vidrio electrizado,el caso de la medula de sauco es muy especial,ya que este material se extrae de una planta y se seca,luego queda en el mismo agua en muy pequeñas cantidades(debido que la absorbe del medio ambiente)y sales que juntos son conductores de la electricidad,en esta pagina http://www.phys.virginia.edu/education/outreach/8thgradesol/StaticElectricity.htm se describe el mismo experimento utlizando una semilla que tambien posee agua en muy pequeñas cantidades y sales.

 

  

Eduardo Ghershman,18.8.2001                                          enlace a CIENCIA